8.8. Цифрові перетворювачі

У вимірювальних пристроях, які здійснюють вимірювання фізичних величин виникає необхідність перетворення аналогової величини в код і навпаки. Задачею цифрових перетворювачів, за допомогою первинних перетворювачів, неелектричну величину перетворити в електричну і далі в цифровий код. Для подальшої обробки з видачею вимірювальної величини у цифровій формі для візуального сприйняття часто виникає необхідність і зворотного перетворення цифрового коду в аналоговий сигнал (напругу, струм), щоб створити необхідний сигнал управління технічним пристроєм.

Для виконання таких стандартних задач використовуються аналого-цифрові перетворювачі (АЦП) та цифро-аналогаві перетворювачі (ЦАП). Відоме їх використання спільно з мікропроцесорами, а також використання їх в якості самостійних функціональних елементів у вузлах і блоках ЦВП.

8.8.1. Цифро-аналогові перетворювачі

Цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП) являє собою пристрій за допомогою якого формується вихідний аналоговий сигнал А, при дії на його входи сигналу в формі цифрового двійкового коду D і опорної зразкової напруги Р (рис. 8.12).

Рис. 8.12. Сигнали ЦАП.

Вихідний аналоговий сигнал пов’язаний з кодом буде визначатись за співвідношенням:

A=P∙D

Так, як код D являє собою n розрядне двійкове число:

(B₁2^-1+ B₂2^-2 +…+ B_n2^-n);

то вихідний сигнал в цьому разі буде визначатись:

A=(B₁2^-1+ B₂2^-2 +…+ B_n2^-n); (8.5)

де В₁,…В_n приймають значення 0 та 1 в залежності від А.

Для перетворення коду в напругу, в ЦАП застосовують дискретні дільники напруги переважно паралельного типу. Спрощена схема реалізації ЦАП зображена на рис. 8.13.

Рис. 8.13. Схема паралельного дільника напруги (двополюсника)

Якщо S_i=1, то відповідний ключ в схемі замкнений, а якщо S_i=0, то ключ розімкнений. Основною вимогою для роботи ЦАП є вимога, що еквівалентний опір паралельного дільника R_EKB був набагато більший за опір навантажувача

(R_EKB>>R_HB). Тоді, вихідна напруга дільника буде визначаться співвідношенням:

. (8.6)

Вихідна напруга ЦАП залежить від вхідного сигналу який задається цифровим двійковим кодом D. Таким чином, має ступінчастий характер (рис. 8.14). Однією із різновидів ЦАП є ЦАП з активними дільниками струму.

Рис. 8.14. Вихідна напруга ЦАП

8.8.2. Аналого-цифровий перетворювач

Аналого-цифровий перетворювач (АПЦ) це пристрій, за допомогою якого вхідна аналогова величина А перетворюється у еквівалентний цифровий двійковий N- розрядний код D та визначається таким чином:

D=A∙ B₁2^-1+ B₂2^-2 +…+ B_n2^-n); (8.7)

де В₁…В_n- розрядні коефіцієнти, які набувають значення 1 або 0.

Найбільш розповсюджені АЦП, перетворюють постійну напругу в цифровий код (ПНК). ПНК в залежності від типу перетворення поділяються на чотири групи:

• амплітудно-імпульсна модуляція (АІМ) вона відбуваєть-ся за допомогою порогових пристроїв (компараторів);

• часо-імпульсна модуляція (ЧІМ) вона відбувається при вхідній напрузі, що перетворюється у пропорційний часовий інтервал;

• частотно - імпульсна модуляція (FІМ) вона відбувається при вхідній напрузі, що перетворюється в пропорційну частоту вхідних імпульсів

• кодо імпульсноа модуляція (КІМ) вона відбувається при вхідній напрузі (U_BX), що порівнюється з компенсуючою напругою (U₀), яка змінюється по відповідному алгоритму, таким чином, щоб у кінці врівноваження забезпечити умови, при яких U_BX =. U₀

Перетворювач код-напруга з АІМ

Для перетворення постійної напруги в N- розрядний код потрібно мати 2^n-1 компараторів та рівнів опорної напруги ( ). Схема електрична структурна ПКН з АІМ зображена на рис.9.15, де DA…DA_n – компаратори, а Ф4 - формувач коду.

Рис. 8.15. АЦП- амплітудноімпульсної модуляції

Принцип роботи АЦП полягає в наступному. Одночасно на всі інвертовані входи компараторів подається вхідна аналогова величина, а на кожен окремий інвертований вхід відповідна опорна напруга (U_ОП), яка не дорівнює одна одній. Припустимо, що U_ОП1>U_ОП2>…>U _ОПn (знаки можуть бути зворотні). Якщо перетворювальна величина U_x зрівняється з опорною напругою будь-якого з компараторів, то на його виході сформується сигнал рівня логічного нуля. При перевищенні рівня вхідного сигналу опорної напруги на виході компаратора формується сигнал рівня “1”. Таким чином, формується вихідний цифровий код. Перевагою цього ПНК з АІМ є велика швидкодія, обумовлена тим, що перетворення здійснюється за один такт. Недоліком є схемна складність, так як потрібна велика кількість компараторів.

Перетворювач напруга-код і ЧІМ.

Аналогова вхідна величина спочатку перетворюється у інтервал часу, який заповнюється імпульсами стабільної опорної частоти. Кількість імпульсів за отриманий інтервал часу пропорційний аналоговій вимірювальній величині. На рис. 8.16 зображена структурна схема ПНК з генератором пилкоподібної напруги (ГПН) та діаграма його роботи рис. 8.17.

Рис. 8.16. Структурна схема АЦП з ЧІМ.

У результаті перетворення вхідної величини (U_x) у інтервал часу (t_x) на лічильник імпульсів (ЛЧІ) поступає N_x імпульсів зразкової частоти f₀. Тоді кількість імпульсів визначається за формулою:

(8.8)

де – швидкість наростання пилкоподібної напруги.

Принцип роботи АЦП відбувається за наступним алгоритмом. На вхід компаратора K надходить вимірювальний сигнал напругою U_x. В момент надходження на вхід пристрою порівняння ПУ короткого імпульсу запуску I₃ на його виході в одночас формується два дуже коротких імпульси, один з них для запуску ГПН, а другий для установки лічильника імпульсів у початковий стан.

Рис. 8.17 Часова діаграма роботи ПКН з генератором пилкоподібної напруги

З виходу ГПН імпульси пилкоподібної форми надходять на один з входів компаратора, де вони порівнюються з (напруга яка поступає на другий вхід компаратора). В процесі зрівняння на виході компаратора формуються імпульси прямокутної форми тривалість яких пропорційна . Далі ці імпульси разом з імпульсами генератора опорної частоти надходять на елемент логічного множення ( ), на виході цього елементу формуються імпульси, кількість яких є функцією вхідного вимірювального сигналу ( ). Потім за допомогою лічильника імпульсів (ЛЧІ) формується числовий код, який також у свою чергу є функцією вимірювальної напруги.

Запитання для самоперевірки

1. Чому більш ефективна реалізація тригерів на базі логічних елементів?

2. У яких випадках застосовують асинхронний RS-тригер?

3. Чим відрізняється синхронний RS тригер від асинхронного?

4. Які тригери використовуються у складі лічильників імпульсів?

5. Яке основне призначення регістрів? Принцип роботи

6. В чому полягає принцип роботи мультіплексора?

7. Яка область застосування запам’ятовуючих пристроїв?

8. Яка роль цифрових перетворювачів в вимірювальній техніці?

9. У яких випадках застосовують цифро-аналогові перетворювачі? Принцип роботи

10. Яку функцію виконують аналого-цифрові перетворювачі? Принцип роботи

Лекція 9

ЕЛЕКТРОННІ ГЕНЕРАТОРИ

9.1. Загальні відомості

9.2. Принцип отримання незатухаючих гармонійних коливань

9.3. LC-автогенератори

9.4. RC-автогенератори

9.5. Генератори імпульсів